Содержание
Почему сварка рельса с уголком или швеллером — задача повышенной сложности
На первый взгляд, приварить уголок или швеллер к рельсу — рядовая операция, с которой любой сварщик сталкивается при монтаже подкрановых путей, направляющих, стеллажных конструкций, рам и нестандартных металлоконструкций. Однако на практике это соединение относится к категории трудновыполнимых, и причина кроется в природе рельсовой стали.
Рельсовая сталь (марки М74, М76, Э76ХФ, Э76Ф) — это высокоуглеродистая легированная сталь с содержанием углерода до 0,74–0,82%. По углеродному эквиваленту она относится к IV группе свариваемости — самой сложной. Рельсы дополнительно упрочняется закалкой токами высокой частоты, что создаёт закалённый поверхностный слой с твёрдостью 320–380 НВ. В зоне термического влияния при сварке без должной подготовки формируются закалочные структуры — мартенсит и бейнит, обладающие низкой пластичностью и высокой склонностью к образованию холодных трещин.
Уголок или швеллер — как правило изготавливаютя, из конструкционной стали Ст3, Ст20 или 09Г2С. Это хорошо свариваемые стали с углеродным эквивалентом 0,18–0,42%.
Разница в свойствах рельсовой и конструкционной стали создаёт условия для образования хрупких структур и холодных трещин, которые могут привести к разрушению соединения.
Особенности материалов: рельсовая сталь и конструкционная сталь
Рельсовая сталь
Рельсовая сталь — это сплав, в котором углерод играет роль основного упрочнителя. Содержание углерода 0,74–0,82% обеспечивает высокую износостойкость и прочность. Но те же свойства делают её крайне сложной для сварки.
Углеродный эквивалент (CэквCэкв) — обобщённая характеристика, определяющая склонность стали к образованию закалочных структур и холодных трещин при сварке. Для рельсовой стали:
Cэкв=C+Mn6+Si24+Cr5+V14>0,8%Cэкв=C+6Mn+24Si+5Cr+14V>0,8%
При Cэкв>0,8% сталь считается трудносвариваемой и требует подогрева. Сварка без специальных технологических мер практически невозможна.
Что происходит в зоне термического влияния при сварке без подогрева? Расплавленный металл шва кристаллизуется, а соседний с ним основной металл нагревается и затем стремительно остывает. Скорость охлаждения ЗТВ при сварке на воздухе без подогрева достигает 30–50 °C/с — этого достаточно для формирования мартенсита, структуры с твёрдостью 60 HRC и выше, но практически нулевой пластичностью. Мартенсит хрупок: под действием остаточных сварочных напряжений он трескается. Трещины могут появиться не сразу, а через несколько часов или суток после сварки — это так называемые холодные трещины.
Конструкционная сталь уголков и швеллеров
Уголки и швеллеры, применяемые в строительстве и машиностроении, обычно изготавливаются из углеродистых сталей обыкновенного качества (Ст3сп, Ст3пс) или качественных конструкционных сталей (Ст20, Ст35). Низколегированные варианты — 09Г2С, 16Г2АФ — применяются для ответственных конструкций. Углеродный эквивалент этих сталей:
- Ст3: Cэкв≈0,18Cэкв≈0,18–0,24%
- Ст20: Cэкв≈0,20Cэкв≈0,20–0,24%
- 09Г2С: Cэкв≈0,36Cэкв≈0,36–0,42%
Все эти стали хорошо свариваются, не требуют подогрева при обычных толщинах (до 30 мм) и обеспечивают пластичный, надёжный шов.
При сварке разнородных сталей шов формируется из смеси расплавленных основного и присадочного металлов. Если с одной стороны плавится Ст3 с 0,2% углерода, а с другой — рельсовая сталь с 0,8%, то металл шва приобретает промежуточный состав. Но главная опасность в зоне сплавления с рельсом, где формируются закалочные структуры.
Разница в теплофизических свойствах
Рельсовая сталь, имея больше легирующих элементов, обладает меньшей теплопроводностью, чем Ст3. Тепло от сварочной дуги распространяется в рельсе медленнее, а зона термического влияния получается более узкой и перегретой. Уголок, имея большую теплопроводность и меньшую массу, отдаёт тепло быстрее, охлаждаясь и давая усадочные напряжения. Неравномерность нагрева и охлаждения приводит к появлению термических напряжений, которые складываются с остаточными сварочными. Если к этому добавляется мартенситная структура в ЗТВ рельса, суммарные напряжения могут превысить предел прочности, и шов треснет.
Подготовка к сварке
Подготовка начинается с осмотра самого рельса. Если рельс ранее эксплуатировался, на нём могут быть усталостные микротрещины у гребня, наклёп на поверхности катания, поверхностные дефекты в виде волосовин и закатов. Перед сваркой зону будущего шва необходимо проверить визуально. Сварка поверх микротрещин приведёт к их распространению под воздействием тепла — трещина «поползёт» вглубь металла.
Зачистка поверхностей
Зона сварки на рельсе и на уголке (швеллере) зачищается до металлического блеска.
Снимаются:
- окалина и продукты коррозии;
- масляные следы и эмульсия (рельсы часто смазываются для защиты от коррозии);
- остатки краски;
- закалённый поверхностный слой на рельсе в зоне сварки — на глубину 1–2 мм.
Зачистка выполняется углошлифовальной машинкой или стальной щёткой.
Особое внимание — влаге. Даже конденсат при температуре окружающего воздуха ниже +5 °C может является источником дефектов. Перед сваркой поверхности должны быть сухими; при необходимости — просушены газовой горелкой.
Разделка кромок
На уголке или швеллере в зоне прилегания к рельсу можно снять фаску под углом 30–45 градусов для обеспечения глубокого проплавления. На самом рельсе разделка обычно не выполняется — приварка идёт по поверхности или боковой грани. Зазор между уголком и поверхностью рельса должен быть минимальным — не более 1–2 мм. Большой зазор повышает риск непровара (корень шва не проплавляется, остаётся несплавление).
Сборка и прихватка
Детали фиксируются струбцинами. Сварка рельса без жёсткой фиксации недопустима. Прихватки выполняются в нескольких точках по длине стыка с шагом не более 200–300 мм. Высота прихватки — 3–4 мм, длина — 20–30 мм. Прихватки выполняются теми же электродами, что и основной шов. Прихватки должны быть зачищены от шлака перед основной сваркой.
Процесс выглядит следующим образом: прогрели, сделали прихватку, дождались исчезновения красноты, сняли струбцину, переместили её дальше, снова зажали, прогрели, сделали прихватку и так далее.
Предварительный подогрев: не рекомендация, а требование
Предварительный подогрев — ключевой технологический фактор при сварке рельсовой стали. Без него получить трещиностойкое соединение практически невозможно.
Механизм холодного трещинообразования: при быстром охлаждении ЗТВ в ней формируется мартенсит. Сочетание факторов — мартенситной структуры и остаточных напряжений может привезти к разрушению.
Подогрев замедляет скорость охлаждения ЗТВ. При скорости охлаждения 5 °C/с и менее вместо мартенсита формируются более пластичные структуры — сорбит и троостит, имеющие твёрдость 25–35 HRC и достаточную пластичность. Пластичность металла ЗТВ при этом повышается в 1,5–2 раза по сравнению с мартенситной структурой.
Кроме того, подогрев снижает температурный градиент между сварочной ванной и основным металлом, уменьшая остаточные напряжения.
Температура и контроль подогрева
Для рельсовой стали с содержанием углерода 0,74–0,82% минимальная температура предварительного подогрева составляет 250 °C. Рекомендуется подогрев до 300–350 °C, особенно при сварке массивных рельсов (Р65, Р75) или при отрицательной температуре окружающей среды. При температуре воздуха ниже 0 °C подогрев увеличивается до 350–400 °C.
При сварке рельса с конструкционной сталью (уголок Ст3) подогревается в первую очередь рельс. Уголок или швеллер можно не подогревать — их углеродный эквивалент низок, и риск трещинообразования минимален.
Подогрев производится газовой горелкой (пропан-кислород или ацетилен-кислород) или индукционным нагревателем. Индукционный нагрев предпочтительнее: он обеспечивает равномерный нагрев по всему сечению, а не только поверхностный, как при газовом пламени. Контроль температуры — контактным термометром, термокарандашом или пирометром. Зона подогрева — не менее 100 мм в каждую сторону от шва по рельсу.
Выбор электродов
Принцип выбора
При сварке разнородных сталей действует правило: электроды выбираются по менее прочной стали, технология (подогрев, режимы) — по более легированной. Это означает, что электроды должны обеспечивать прочность шва, соответствующую конструкционной стали (Ст3 или 09Г2С), а подогрев и режимы сварки должны быть рассчитаны на рельсовую сталь.
Если выбрать электроды с прочностью, соответствующей рельсовой стали (Э60 или Э70), шов будет прочнее, чем основной металл уголка — разрушение произойдёт по уголку вне шва, в зоне термического влияния. Если выбрать слишком мягкие электроды (Э42), шов будет слабее рельса и разрушится по шву. Оптимальный выбор — электроды типа Э50А с прочностью 490 МПа, что выше Ст3 (370 МПа) и достаточно для конструкционной нагрузки.
Типы покрытия и марки электродов
Предпочтительно использовать электроды с основным покрытием обязательны (УОНИ 13/55, ЛБ 52У). Они обеспечивают низкое содержание водорода в металле шва (менее 5 мл на 100 г), что критически важно для предотвращения холодных трещин. Электроды с рутиловым покрытием (АНО-21, АНО-36, МР-3) дают шов с повышенным содержанием водорода и низкой пластичностью.
Прокалка электродов
Электроды с основным покрытием гигроскопичны — они активно впитывают влагу из воздуха. Перед сваркой их необходимо прокалить при 350–400 °C в течение 1–2 часов. Влага в покрытии — прямой источник водорода, который попадает в шов и инициирует холодные трещины. Непрокаленные электроды — одна из самых частых причин дефектов в шве и его разрушении.
Диаметр электродов
- 3 мм — корневой проход, уголки толщиной до 5 мм, тонкостенный швеллер;
- 4 мм — заполняющие и облицовочные проходы, основной объём шва;
- 5 мм — массивные конструкции, толстостенный швеллер (12 мм и выше).
Режимы и техника сварки
Полярность и сила тока
Полярность — постоянный ток обратной полярности (плюс на электроде) для электродов с основным покрытием. Прямая полярность (минус на электроде) обеспечивает меньшее проплавление основного металла, что снижает риск перегрева рельса, но может применяться только для отдельных марок электродов.
При выполнении ручной сварки с использованием электродов необходимо строго следовать режимам, указанным в паспорте для конкретной марки электрода.
| Диаметр электрода, мм | Сила тока, А | Назначение |
|---|---|---|
| 3,0 | 90–120 | Корневой проход, тонкие уголки |
| 4,0 | 140–180 | Заполняющие проходы, основной шов |
| 5,0 | 200–240 | Облицовка, массивные сечения |
При толщине металла более 5 мм сварка ведётся в несколько проходов:
- Корневой проход — электрод 3 мм, ток 90–120 А. Обеспечивает проплавление корня шва и сплавление с поверхностью рельса.
- Заполняющие проходы — электрод 4 мм, ток 140–180 А. Заполняют разделку кромок.
- Облицовочный проход — электрод 4–5 мм. Формирует геометрию шва с требуемым катетом.
Процесс сварки должен носить непрерывный характер. Допустимы лишь короткие паузы, для зачистки шлака между проходами.
Предотвращение деформаций
Рельсовая сталь имеет значительную массу и теплоёмкость, а уголок и швеллер — относительно тонкие профили. При сварке возникает неравномерный нагрев: рельс греется медленно и долго остывает, уголок — быстро нагревается и быстро остывает, давая усадку. Эта разница приводит к короблению уголка и отрыву от рельса.
Меры по предотвращению деформаций
- Жёсткая фиксация струбцинами на всём протяжении шва.
- Обратный изгиб уголка — при монтаже уголок слегка отгибается от рельса (1–2 мм на метр длины), чтобы после усадки шва он занял проектное положение.
- Симметричная сварка — если шов накладывается с двух сторон уголка, проходы чередуются: один шов с одной стороны, затем — с противоположной.
Типичные ошибки при сварке рельсовой стали
Сварка без подогрева
Самая распространённая и самая опасная ошибка. Без подогрева до 250–300 °C в ЗТВ рельса формируется закалочные структуры, и через несколько часов после остывания шов трескается. Трещины могут быть не видны визуально и проявится только при нагрузке.
Использование рутиловых электродов
Электроды с рутиловым покрытием дают шов с повышенным содержанием водорода и низкой пластичностью. Для ответственных соединений на рельсовой стали — только электроды с основным покрытием, прокаленные перед применением.
Быстрое охлаждение
Сразу после сварки нельзя быстро охлаждать шов. Охлаждение должно быть медленным — стык укрывается асбестовым полотном или теплоизолирующим материалом и остывает до 100 °C естественным путём. Быстрое охлаждение вызывает термические напряжения, которые разрывают шов.
Сварка на повышенном токе
Увеличение тока «для надёжного проплавления» ведёт к перегреву рельса, расширению ЗТВ и формированию грубозернистых структур. Без подогрева повышенный ток ускорит образование закалочных структур.
Контроль качества
Визуальный и измерительный контроль (ВИК)
Первый и обязательный вид контроля. Проверяются:
- наличие трещин по шву и зоне сплавления;
- подрезы у границы сплавления (особенно на стороне рельса);
- кратеры (недопустимы без заварки);
- геометрия шва — катет, выпуклость, ширина;
- отсутствие наплывов и брызг на поверхности рельса.
Капиллярный контроль (ЦД)
Поверхностные дефекты (микротрещины, волосовины), не видимые глазом, выявляются капиллярным методом. Особенно важен для контроля зоны сплавления на стороне рельса — именно здесь чаще всего возникают холодные трещины.
Заключение
Сварка рельса с уголком или швеллером не прощает спешки и небрежности. Каждый пропущенный этап — непрокаленные электроды, отсутствие подогрева, быстрое охлаждение — может привести к тому, что соединение разрушится если не сразу то через несколько дней под нагрузкой.
Однако при соблюдении технологии — подогрев до 250–350 °C, электроды с основным покрытием, многослойная техника сварки и медленное остывание — получается надёжное соединение, способное длительно работать при статических и динамических нагрузках.
Читайте также:
Влияние химические элементов на свойства стали и свариваемость
